viernes, 19 de marzo de 2010

Investigacion Parcial III. Anderson J. Mariño O. C.I.17.456.750 ess


1. CRECIMIENTO DE GaAs

• Uno de los compuestos
III-V utilizado más frecuentemente en el
diseño y fabricación de células solares de concentración

– es el semiconductor arseniuro de galio,
GaAs.
• Para conseguir células solares de alta eficiencia

– es necesario un conocimiento exhaustivo acerca de la calidad y
características del material crecido epitaxialmente.
– De esta manera, se asegura

•
la repetibilidad en las estructuras semiconductoras
•
al igual que una alta precisión en el control de sus propiedades (dopaje,
espesor, etc.).

• Para células solares de
GaAs
– los espesores de las capas semiconductoras varían entre decenas de
manómetros y varias micras.
– Para este rango amplio de espesores es necesario dominar la velocidad de
crecimiento de los materiales.

• Respecto a los requerimientos del dopaje, para
p-GaAs
– el rango necesario abarca desde
3·1017cm-3, para la base, hasta el mayor
dopaje posible para la
BSF ( del inglés "Back Surface Field").
• Similarmente para
n-GaAs,
– cuyo mínimo valor se encuentra alrededor de
8·1017cm-3 para el emisor
hasta el mayor dopaje posible para la capa de contacto.

• Para controlar este rango amplio de dopajes

– es necesario estudiar la influencia de los parámetros fundamentales que
dominan el proceso de crecimiento epitaxial de
GaAs por MOVPE:
•
i) temperatura de crecimiento (TG),
•
ii) flujos de los precursores de entrada (fV, fIII)
•
iii) relación entre la presión parcial del elemento del grupo V y del elemento
del grupo III a la entrada del reactor, (
V / III),
•
iv) fracción molar del dopante en fase vapor, ([DETe],[DMZn])
• v) orientación del substrato y

•
vi) presión total en el reactor (PT).
• Por tanto, es importante el estudio de la influencia que las variables
(
TG, fV, fIII, V/III, [DETe] y [DMZn]: dimethylzinc)
– tienen en el crecimiento y la calidad del
GaAs,
•
tanto tipo p como tipo n,
•
con el fin último de crecer células solares por MOVPE con las
especificaciones deseadas.

• Es importante analizar las directrices propias del crecimiento por

MOVPE
.
2. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH3
Precursores de galio

• La elección de los precursores utilizados en el
crecimiento por
MOVPE determina, en gran
medida,

– las condiciones de crecimiento óptimas,
– al igual que la calidad del material cristalino.

• Se han presentado diferentes tablas

– resumiendo las fuentes más comunes en el
crecimiento por
MOVPE de semiconductores III-V.
• Ahora particularizaremos la información de un
reactor.

– Como fuente de galio se utilizan,

• principalmente, dos tipos de precursores
metalorgánicos:

– i) trimetilgalio (
TMGa) cuya fórmula química es (CH3)3Ga
y
– ii) trietilgalio (
TEGa) cuya fórmula química es
(
C2H5)3Ga).
– La diferencia más importante entre ambos
precursores radica

• en el
número de átomos de carbono que acompañan
al átomo de galio.

– Este factor determina, fundamentalmente,

• la temperatura necesaria para completar el proceso de
pirólisis y
• los diferentes radicales residuales debidos al proceso
de descomposición.

3. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH3
Precursores de galio

• Muchos trabajos abordan

–
la pirólisis de los diferentes precursores
metalorgánicos.
– La mayoría de ellos concluyen que el
TMGa se
descompone en fase vapor formando radicales del
tipo

• metil (
CH3)- y
• mono-metilgalio (
GaCH3),
• mientras que el
TEGa produce
– una molécula de
GaH3 y
– tres moléculas de etileno (
C2H4).
• Esta diferencia es el origen de la existencia de

C
en GaAs
– cuando el precursor es
TMGa, frente al TEGa,
• para el cual no se ha detectado
C en GaAs crecido en
las condiciones habituales.

• Cuando el radical (
CH3)- llega a la superficie
– puede perder un átomo de hidrógeno,
– generando
(CH2)2
-
(altamente reactivo),
• que a su vez se descompone generando
C, el cual se
incorpora a la capa epitaxial.

• La manera óptima de evacuar el radical metil
de la superficie

– es mediante la reacción con
H monoatómico,
– proveniente de la pirólisis del precursor del
grupo V,
generalmente arsina (
AsH3).
4. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH3
Precursores de galio

• Respecto a la temperatura de pirólisis,

– a medida que aumenta el tamaño de la molécula,

• disminuye la temperatura necesaria para
descomponerla,

– ya que el enlace metal-carbono es más débil cuanto más
larga es la cadena del radical

• Así, cuando el gas portador es
H2,
– el proceso de pirólisis del
TMGa alcanza el 50% a
450 ºC
,
– frente al
TEGa, cuyo proceso de descomposición
está prácticamente completo a
350 ºC.
• Aunque el
TEGa genera GaAs con un dopaje
residual

– debido al carbono mucho menor que el
TMGa,
• este último es más estable,

– lo que permite su almacenaje durante periodos de
tiempo prácticamente infinitos y,

• además, es menos proclive a reacciones parásitas

– debido a descomposiciones prematuras.

• En consecuencia, no hay argumentos claros
para elegir uno u otro.

– Se puede seleccionar
TMGa
• ya que permite mayores tiempos de almacenaje y
porque puede usarse como fuente intrínseca de
carbono.

5. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH
3
Precursores de arsénico

• El precursor para el
As más comúnmente utilizado
– es la arsina (
AsH3), ya que además de suministrar As,
• genera hidrógeno monoatómico en la superficie, necesario para la
evacuación del radical
CH3 proveniente del TMGa.
• Además, los hidruros en general, se encuentran fácilmente con un
grado muy elevado de pureza.

• La desventaja fundamental de estos compuestos es:

– su alta toxicidad,
– su carácter pirofórico
– y su elevada temperatura de pirólisis, ya que a 600 ºC sólo el 50%
de la
AsH3 se ha descompuesto lo que supone un pérdida
importante de material.

• Con el objetivo de conseguir procesos más seguros y más
eficientes

– se comenzaron a desarrollar otras fuentes de arsénico.

• La más común es la denominada
TBAs (C4H9AsH2), la cual
– piroliza a temperaturas muy inferiores a la arsina, (50% a 425 ºC)
y, aunque también es tóxica,

• es un líquido a presión atmosférica.

• Los productos resultantes de su pirólisis son, entre otros,

–
AsH y/o AsH2,
• que al descomponerse generan
H monoatómico
– para la evacuación del
radical metil de la superficie de crecimiento.
• Este hecho hace que para
GaAs crecido con TMGa y TBAs,
– los resultados de material sean similares a los obtenidos con

TMGa
y AsH3, incluso cuando la proporción V/III en el caso del
TBAs
sea 2,5 veces menor que para la AsH3.
– Respecto a la fabricación de células solares con
TEGa y AsH3,
• los resultados son análogos a los obtenidos utilizando
TMGa y AsH3
• La desventaja fundamental de la
TBAs
– es su elevado coste
– y la escasa información existente sobre su comportamiento frente
a la arsina. Por eso, un reactor puede incorporar
AsH3.
6. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH
3
El sistema TMGa + AsH
3
• Se puede utilizar
TMGa y AsH3 como
precursor de galio y de arsénico,
respectivamente.

– este sistema presenta una serie de restricciones
respecto a la temperatura
– y proporción
V/III para el crecimiento óptimo de
GaAs
.
• Por un lado, para garantizar un dopaje residual
bajo debido al carbono,

– la relación entre el flujo de
TMGa y el flujo de AsH3
ha de ser suficientemente elevado

• para garantizar una evacuación eficiente del radical
metil procedente del
TMGa.
• Por otro lado, el valor de la temperatura de
crecimiento (
TG)
– ha de tender a ser superior a
600 ºC para conseguir,
al menos,

• el
50% de pirólisis de la arsina
• y garantizar, así, el crecimiento en régimen de
transporte de masa
• y una evacuación efectiva del
radical metil.
• Por otro lado,
TG debe ser inferior a 750 ºC
– para evitar efectos termodinámicos
– y para minimizar las
posibles contaminaciones de
Ge
y Si provenientes de la arsina
7. CRECIMIENTO DE GaAs
CONDICIONES DE CRECIMIENTO
Influencia de la temperatura de crecimiento,
TG
•
Una vez elegidos los precursores,
–
es necesario conocer cómo afectan los diferentes parámetros de
crecimiento a la calidad y a las propiedades del
GaAs intrínseco.
•
Se debe describir de manera detallada
–
la influencia de la temperatura de crecimiento, la proporción V/III,
–
la presión total del reactor,
–
el flujo total del reactor
–
y la orientación de la oblea.
•
La temperatura de crecimiento
–
es probablemente unos de los parámetros más importantes en el
crecimiento epitaxial por
MOVPE.
•
Tiene una influencia directa
–
en el régimen de crecimiento
–
y en la incorporación de dopantes,
•
tanto deseados como indeseados.
•
Debido a que el efecto de la temperatura óptima de crecimiento
–
es diferente para las diferentes combinaciones de precursores,
–
se considera el sistema más comúnmente utilizado TMGa + AsH3.
•
Para el sistema TMGa + AsH3
–
el rango limitado por transporte de masa está entre 550 ºC y 750 ºC.
•
Para este rango de temperaturas, el TMGa se descompone en su totalidad
•
y la pirólisis de la arsina es suficientemente elevada como para que la
incorporación de carbono sea despreciable, siempre que la proporción V/III
sea suficientemente elevada.

•
Como se explicado en el rango limitado por transporte de masa,
–
la velocidad de crecimiento depende linealmente del flujo del elemento
del
grupo III (TMGa).
•
La constante de proporcionalidad se denomina eficiencia de
crecimiento (
EC),
–
y es independiente del flujo del elemento del grupo V (AsH3),
–
de la temperatura
–
o de la orientación del substrato.
•
En este rango de temperaturas
–
se han reportado las mejores características de GaAs intrínseco
crecido por
MOVPE.
8. CRECIMIENTO DE GaAs
CONDICIONES DE CRECIMIENTO
Influencia de la temperatura de crecimiento,
TG
• Para temperaturas inferiores a
550 ºC,
– la pirolisis del
TMGa no se ha completado
– y la descomposición de la arsina está
por debajo
del 50%.

• Esto tiene dos efectos directos:

– por un lado, la velocidad de crecimiento depende

• de la temperatura ya que el crecimiento está limitado
por la pirólisis del
TMGa y,
– por otro, la incorporación de
carbono indeseado
• es muy elevada, ya que no se genera suficiente
H
monoatómico procedente de la arsina.

• Por el contrario, si la temperatura es superior a
750 ºC,

– la velocidad de crecimiento empieza a disminuir con

T
G,
• probablemente debido a una
evaporación de galio de
la superficie de crecimiento.

• Además, a medida que aumenta la
temperatura por encima de
700 ºC,
– la movilidad disminuye debido

• a la excesiva incorporación de impurezas no
deseadas; fundamentalmente
Si y Ge (tipo n)
provenientes de la arsina.
• A
700 ºC el nivel de impurezas no deseadas (ND+NA)
supera
3·1015 cm-3
• Por tanto, para el sistema
TMGa + AsH3,
– el rango de temperatura de crecimiento óptimo para
el
GaAs se encuentra entre 600 y 700 ºC.
9. CRECIMIENTO DE GaAs
CONDICIONES DE CRECIMIENTO
Proporción V/III,
V/III
• La proporción
V/III se define
– como la relación entre la presión parcial del elemento del

grupo V

– y del elemento del
grupo III a la entrada de la cámara de
reacción.

• Para el crecimiento de
GaAs con TMGa y AsH3
– se utilizan proporciones
V/III elevadas,
• ya que
el arsénico es un elemento volátil a las temperaturas
de crecimiento habituales del
GaAs, a diferencia del Ga.
• Esto implica que el arsénico abandona la red cristalina

– y, por tanto, es necesario una sobrepresión de
As en la
superficie de crecimiento.

• Además, como la
pirólisis de la arsina es menos
eficiente que la del
TMGa,
– es necesario crecer con valores de
V/III mayores que 1,
más concretamente
V/III ha de ser mayor de 3.
– Si
V/III es menor de 3, la densidad de defectos es elevada,
• debido a la presencia de
Ga en fase líquida sumada al GaAs
en estado sólido,

– generando
gotas de galio que empeoran significativamente la
morfología del material

• Por otro lado,
V/III tiene un efecto directo en la
incorporación de impurezas residuales.
• Para el sistema
AsH3+TMGa,
– en ausencia de un dopante intencionado,
– el valor de
V/III determina la polaridad de GaAs
intrínseco

10. CRECIMIENTO DE GaAs
CONDICIONES DE CRECIMIENTO
Proporción V/III,
V/III
• En la tabla II.1 se ha resumido

– la relación entre
V/III
–
y el dopaje residual cuando la temperatura de crecimiento
es
700ºC.
• Es importante aclarar que los valores de
V/III que
delimitan las diferentes regiones

– pueden depender de otras variables de crecimiento, como

• la temperatura
• o la presión pero, en cualquier caso,
• el proceso de incorporación de impurezas residuales es
similar para todo el rango de temperaturas habituales (
550º-
750ºC
).
• Si los precursores son
AsH3 y TEGa,
– las propiedades eléctricas de la capa son mucho menos
dependientes la proporción
V/III
• ya que la incorporación de
C es mucho más baja.
• Por tanto, para fijar la proporción
V/III,
– primero se determina el flujo de
TMGa de acuerdo
• con la velocidad de crecimiento objetivo a través de la
eficiencia de crecimiento
• y posteriormente, se establece el flujo de
AsH3 para obtener
la proporción
V/III que optimiza la calidad de la capa epitaxial.
• Es importante tener en cuenta que los rangos de
V/III
– comentados en la
tabla I.1 son válidos para 700 ºC.
• Para otras temperaturas, los tramos existentes

– son similares aunque los valores de
V/III que delimitan
cada régimen varían.

• Así, para temperaturas inferiores a
700 ºC,
– el valor de la proporción
V/III que genera GaAs tipo n es
mayor,

• ya que la proporción de
arsina descompuesta es menor.

17. CRECIMIENTO DE GaAs
EFICIENCIA DE CRECIMIENTO,
EC
• La técnica de crecimiento epitaxial por
MOVPE
– permite la fabricación de capas semiconductoras con un
rango de espesores muy amplio,

• desde decenas de nanómetros hasta centenas de micras.

• Para que esta ventaja sea efectiva,

– es necesario conocer

• la velocidad de crecimiento (
vc) de los materiales de interés y
– de esta manera obtener
una estructura de capas muy cercana
al óptimo teórico.

• Es decir, conocer la influencia de

– las diferentes variables del proceso en la velocidad de
crecimiento.

• Según lo expuesto previamente,

– en la región de temperaturas comprendidas entre los
550
ºC
y 750 ºC
• el crecimiento por
MOVPE se encuentra limitado por
transporte de masa
.
• Si además, la proporción
V/III es mayor que 1,
– la velocidad de crecimiento está controlada

• por el flujo difusivo del elemento del
grupo III a través de la
capa frontera:

– donde
DIII es la constante de difusión del elemento del
grupo III
,
–
∂0 es el espesor de la capa frontera y
–
pIII es la presión parcial del elemento del grupo III a la
entrada de la cámara de reacción
–
P´III y es la presión parcial del elemento del grupo III en la
superficie de crecimiento.

18. CRECIMIENTO DE GaAs
EFICIENCIA DE CRECIMIENTO,
EC
• Es decir, cuando
V/III>>1,
– la presión parcial del elemento del
grupo III en la
superficie de crecimiento es casi nula
(p´III ≈ 0),
– y la presión parcial del elemento del
grupo V en la
superficie de crecimiento coincide casi con la existente a la
entrada del reactor
(p´V ≈ pV).
• Por tanto,

– cada átomo del elemento de
grupo III que llega a la oblea
participa en la formación de nuevo sólido y,
– en consecuencia, la velocidad de crecimiento,
vg,
• es directamente proporcional al flujo de entrada del elemento
del
grupo III, fIII (en este caso TMGa),
– a través del parámetro denominado eficiencia de crecimiento,
EC
• Es importante resaltar que el valor de la eficiencia de
crecimiento

– es característico de cada
reactor epitaxial y de cada
material.

• Esto implica que para las dos geometrías del reactor,

– la eficiencia de crecimiento será diferente.

• La obtención empírica de dicho valor

– permite controlar el espesor de las capas epitaxiales de

GaAs

– y es el primer paso a seguir a la hora de calibrar el
crecimiento epitaxial de cualquier semiconductor mediante

MOVPE.

19. CRECIMIENTO DE GaAs
EFICIENCIA DE CRECIMIENTO,
EC
Efectos cinéticos

• Para
GaAs dopado con Zn se ha constatado
– un aumento de la velocidad de crecimiento
– a medida que aumenta la incorporación de
Zn
– Este resultado es meramente empírico
– y actualmente no existe una explicación clara para este

efecto cinético
vinculado al Zn.
– Este hecho hace que la eficiencia de crecimiento dependa

• de la temperatura
• y la fracción molar de
DMZn o DEZn,
– ya que la incorporación de
Zn depende de ambos parámetros.
• Respecto a los efectos de la presencia de
Te en la
eficiencia de crecimiento,

– parece previsible que el efecto superficial del
Te
introduzca efectos cinéticos.

• A día de hoy desconocemos trabajos que traten
explícitamente la relación entre

– la eficiencia de crecimiento de
GaAs
– y la fracción molar de
DETe,
– pero existen evidencias de que el
Te
• introduce fluctuaciones en la composición de
GaInP
– ya que influye de manera desigual en la incorporación de
In y Ga
• Además, existen modelos que predicen una relación
directa

– entre la adsorción de átomos de
As y de Ga
– y los átomos de
Te en superficie
• Por tanto, cabe esperar que existan efectos cinéticos,

– no contemplados en el modelo termodinámico clásico, en
la eficiencia de crecimiento de
GaAs
• debido a la presencia de
Te.
20. CRECIMIENTO DE GaAs
DOPADO DE GaAs. INTRODUCCIÓN TERMODINÁMICA

• Como se comentó previamente,

– en el régimen de crecimiento habitual

• el crecimiento está controlado por el flujo difusivo del
elemento del
grupo III hasta la superficie.
• Esto implica que la superficie está vacía de galio,

– o lo que es equivalente, la presión parcial en la superficie
es cero (
p´III≈0) y
– que el flujo difusivo del elemento del
grupo V sea
prácticamente nulo

• ya que la presión parcial a al entrada (
pV)
– es igual que la presión parcial en la superficie de crecimiento
(
p´V). Bajo estas condiciones, el nivel de incorporación de un
dopante
» vendrá determinado por su flujo de llegada a la superficie
de crecimiento.
» Se puede definir así
la concentración de dopante en el
sólido
(x2
D
) como:
• Donde:

–
DD y DGa son la constante de difusión del dopante y del
galio, respectivamente y
–
∂0 es el espesor de la capa frontera.
• En la expresión (2.3) se ha asumido que
DD y DGa son
iguales.
• Adicionalmente, sabemos que

– la concentración de dopante en el sólido
– y su presión parcial en la superficie de crecimiento

• pueden relacionarse de forma directa a través del coeficiente
de incorporación (
k):
21. CRECIMIENTO DE GaAs
DOPADO DE GaAs. INTRODUCCIÓN TERMODINÁMICA

• Si suponemos que el sólido y la fase gaseosa se encuentran en
equilibrio,

– utilizando las expresiones (2.3) y (2.4)
– podemos llegar a dos ecuaciones muy sencillas para
x2
D
en dos casos
límite:

• 1.
Caso 1 - La presión de vapor del dopante sobre el sólido es
muy pequeña:

– En este caso se cumple

• que en el equilibrio entre sólido y fase gaseosa

–
no existe apenas dopante.
• Por tanto, todo el dopante que entra al reactor

– se incorpora al sólido
(pD>>p´D ≈0).
– Este es el caso que representa la situación de limitación por flujo de masa. Utilizando (2.3)
tenemos que:

• 2.
Caso 2: La presión de vapor del dopante sobre el sólido es muy
elevada:

– En este caso se cumple que la mayor parte del dopante es reevaporado y

p
D≈p´D.
• Por tanto, aplicando la ecuación (2.4) obtenemos que:

• En general, por la expresión (2.4) sabemos

– que
xS
D
=kp´D y,
– además, el dopaje (
ND) es proporcional a la fracción molar de dopante en el
sólido (
ND~xS
D
).
– De estas dos consideraciones se deduce directamente que:

• Nuestro interés principal será relacionar la concentración de dopante
con los flujos,

– de constituyentes y
– dopantes,

•
a la entrada del reactor.
– Dichas relaciones se encuentran resumidas en la tabla II.3

No hay comentarios:

Publicar un comentario